[发明专利]具有浅N+层的薄有源层鱼骨形光敏二极管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有改善的装置特性的光敏二极管阵列。具体地讲，本发明涉及可制作在薄有源层(例如，外延的或薄的直接结合的层)上的具有鱼骨形结构的光敏二极管装置。更具体地讲，本发明涉及具有减小的结电容、减小的暗电流和改善的信号噪声比的光敏二极管阵列。

背景技术

传统的计算X射线断层摄影(computed tomography，CT)扫描器和数字式X射线照相系统采用大量(几百至几千的数量级)的X射线检测器，其中每个X射线检测器都包括将X射线转换成光的闪烁器和将光转换成电信号的光电管(photocell)或者光敏二极管阵列。

某些光敏二极管具有形成在半导体材料中的二电极辐射敏感结。照射该结的光产生电荷载流子(通过可移动的或者“自由的”电子和空穴)。用少量杂质掺杂半导体会在半导体内大大增加电荷载流子数。当掺杂的半导体具有过剩(多数)的空穴时，被称为p型，而当它包含过剩(多数)的自由电子时，被看作n型。p掺杂半导体中的空穴是多数载流子(majority carriers)，而电子是少数载流子(minority carriers)。在n型掺杂的情况下，电子是多数载流子，而空穴是少数载流子。n型和p半导体连接在一起所形成的结称为P-N结。在P-N结位置，形成所谓耗尽区的区域，其阻挡从n型区域到p型区域的电流传导，但是允许p型区域到n型区域的电流传导。耗尽区域没有任何多数载流子，且为非导电层。换言之，空穴和电子在P-N结的复合导致该区域的移动电荷的耗尽。

在结处于热平衡(即稳定状态)时，耗尽区域形成为跨越P-N结。电子和空穴将扩散在电子和空穴浓度较低的区域中。N型半导体具有过剩的自由电子，而P型半导体具有过剩的空穴。因此，在形成P-N结时，电子将扩散进入P侧，而空穴将扩散进入N侧。然而，当空穴和电子接触时，它们通过复合而彼此抵消。这将邻近耗尽区域的施主原子露出，此时这些施主原子为带电离子。这些离子在N侧为正的而在P侧为负的，产生电场以抵消电荷载流子的连续扩散。当电场足以抵制引入空穴和电子时，耗尽区域达到其平衡宽度。

在反向偏压下(P相对于N为负)，该电势增加，进一步加宽了耗尽区。正向偏压(P相对于N为正)使该区变窄，并且最终使其减小到没有，使结导电且允许自由流过电荷载流子。因此，能够控制该非导电层，以允许在一个方向上流过电流，而在另一个(相反)方向上没有电流流过。当P-N结正向偏置时，因为降低了P-N结的电阻，所以电荷自由流动。然而，当P-N结反向偏置时，结的势垒(且因此电阻)变得较大，电荷流动为最小。

本质上有效的固态半导体装置，特别是硅光敏二极管，是在较大波长范围上具有足够高的性能且易于使用的最普通的光电探测器。硅光敏二极管在宽的光谱范围内对光敏感，从深紫外线经过可见光扩展到近红外线，约为200nm至1100nm。硅光敏二极管，通过利用它们检测微小光强度的存在或不存在的能力，易于在适当校准时极精确地测量这些微小光的强度。例如，适当校准的硅光敏二极管检测和测量在很宽范围上变化的光强度，从10^-13瓦/cm²以下的非常小的光强度到10^-3瓦/cm²以上的高强度。

硅光敏二极管可以用在包括但不限于下面的应用分类：光谱、距离和速度测量、激光测距、激光引导发射、激光对准和控制系统、光学自由空气通讯、光学雷达、辐射检测、光学位置编码、膜处理、火焰监视、闪烁器读出、诸如监测地球臭氧层和污染监测的环境应用、诸如夜间摄影、核医疗成像、光子医疗成像和多片计算机X线断层摄影(CT)成像、安全拍摄和恐吓检测的低光水平成像、薄照片芯片应用以及计算应用的广泛范围。

典型地，光敏二极管阵列采用闪烁体材料(scintillator material)，用于吸收高能量(离子化)的电磁或带电粒子辐射，其响应于特征波长上的荧光光子。闪烁体由它们的光输出(每单位吸收能量的发射光子数)的短荧光衰减时间和它们自身特定发射能量的波长上的光学透明度限定。闪烁体的衰变时间越小，即其荧光闪烁的持续时间越短，检测器将具有的所谓的“死时间(dead time)”越少，并且它能够检测的每单位时间的离子化事件越多。闪烁体用于检测很多安全和检测系统中的电磁波或粒子，包括CT、X-射线和伽马射线。在那里，闪烁体将能量转换成光电倍增管(PMT)或P-N结光敏二极管可检测的波长的光。